Технология изготовления печатных плат
..pdfплат представлена в табл. 15, где приняты следующие обозначения: Л — толщина платы, мм; d — диаметр отверстия, мм; 6ОТо — толщина слоя меди в отверстиях, мкм; 6пр — толщина слоя меди на про воднике, мкм.
Т а б л и ц а |
15. Х а р ак те р р а сп р е д е л е н и я |
м еди н а |
п еч атн ой |
п л а те |
|
Тип электролита |
Ь/ d |
d, мм |
ботв/бпр |
||
Фторборатный |
3 |
0,8 |
0,5 |
||
4 |
0,6 |
0,4 |
|||
|
|
||||
Сульфатный |
(электролит 3) |
3 |
0,8 |
0,86 |
|
4 |
0,6 |
0,83 |
|||
|
|
||||
Пирофосфатный |
4 |
0,6 |
0,86 |
||
Сульфатный с добавкой Б-7211 |
3 |
0,8 |
0,74 |
||
(электролит 4) |
|
4 |
0,6 |
0,67 |
Повышенная рассеивающая способность электролита с добавкой «ЛТИ» (электролит 3) имеет очень важное значение для производ ства, так как применение этого электролита позволяет уменьшить продолжительность процесса меднения на 50—60 % и соответственно сократить расход меди. При использовании фторборатных или кремнефторидных электролитов, обладающих низкой рассеивающей способ ностью, на проводниках и особенно на удаленных, осаждается весьма толстый (70—100 мм) слой меди с неровной поверхностью, что препятствует получению качественной влагозащиты при лакировке блоков на печатном монтаже из-за стекания лака с шишковатых наростов меди на кромках проводников.
Чрезвычайно важное значение имеет эластичность осаждаемого слоя меди, так как в условиях эксплуатации платы подвергаются значительному нагреву и происходит тепловое расширение материала, из которого изготовлена плата, и слоя меди. Коэффициент линейного расширения эпоксидной смолы почти в 5 раз больше коэффициента
линейного расширения меди (ai=9,2»10_5 мм/мм °С |
и аг= 1,77Х |
X Ю“ 5 мм/мм °С), поэтому в результате термоударов |
в слое меди, |
осажденном на стенках отверстий, возникают значительные напряже ния и, если медь недостаточно эластична, происходит ее разрыв, а разрыв меди в переходном отверстии приводит к выходу из строя всего блока.
Расчеты показывают, что на многослойной плате толщиной 2 мм
удлинение |
по оси z при пайке на волне припоя |
при |
температуре |
/ = 250 °С |
составляет: для диэлектрика — 0,048 |
мм; |
для меди — |
0,009 мм. В этом случае слой должен «вытянуться» почти на 40 мкм и, если относительное удлинение меди менее 3 %, неизбежен ее разрыв.
Учитывая вышеизложенное, необходимо обращать большое внимание на эластичность осаждаемой меди, которая с учетом уже сточенных эксплуатационных требований к печатным платам, должна составлять по величине относительного удлинения не менее 6 %. Испытаниями качества медных осадков, полученных из различных
электролита — медь сернокислая, кислота серная и хлориды — добавляются в электролит на основании данных химического анализа, который производится не менее 2 раз в месяц при Интенсивной работе ванны. Корректирование по органическим добавкам выпол няется после прохождения через ванну определенного количества электричества. Так, после прохождения 18 кКл/л электричества вводится продукт ОС-20 в количестве 1 мл/л в виде заранее при готовленного раствора, содержащего 100 г/л этого продукта. После прохождения 72 кКл/л вводится 1 мл/л раствора основного компонен та добавки «ЛТИ». Накопление органических примесей приводит к образованию блестящих полос и хрупкости медного покрытия, что выражается в резком снижении величины относительного удлине ния е.
При снижении величины е до значений менее 6 % необходимо освободить электролит от органических примесей введением в электро лит активированного угля БАУ в количестве 10 г/л. После тщатель ного перемешивания и выдержки не менее 7 ч электролит фильтруется и в него вводится добавка «ЛТИ» в количестве, соответствующем рецептурному.
Основные неполадки, встречающиеся при эксплуатации кислых электролитов, и возможные причины их появления представлены
втабл. 16.
Та б л и ц а 16. Основные неполадки при меднении в кислых электролитах
Характер неполадок |
Возможные причины |
|||||
Грубая крупнокристалличе |
Высокая плотность тока, |
недостаток |
||||
ская структура осадков |
кислоты по отношению к содержанию меди |
|||||
Темные шероховатые осадки |
Включение в осадок механических при |
|||||
|
|
|
|
месей или закиси меди при недостатке |
||
Светлые (блестящие) полосы |
кислоты |
|
|
|||
Загрязнение органическими веществами |
||||||
Пассивирование |
анодов |
Недостаток кислоты (H2S 0 4 или HBF4) |
||||
Скорость осаждения покры |
Снижение выхода по току из-за на |
|||||
тия меньше расчетной |
копления железа |
(Fe3 +) |
покачивания |
|||
Плохое |
качество |
металли |
Недостаточная |
скорость |
||
зации в отверстиях |
плат |
плат при осаждении меди |
|
|||
Растворение |
меди с провод |
Отсутствие контакта платы с подвеской |
||||
ников на одной стороне заго |
и растворение меди вследствие биполяр |
|||||
товки |
|
|
|
ного эффекта |
|
|
Хрупкость медных осадков |
Накопление в электролите органических |
|||||
Отслаивание |
электроосаж* |
примесей |
|
|
||
Наличие окисных разделительных слоев |
||||||
денной |
меди |
от |
фольговой |
на фольге или неудаленного слоя хими |
||
меди |
|
|
|
чески осажденной меди |
|
|
Темно-серый «подгар» осад |
Недостаток хлоридов |
|
||||
ков из электролита с добавкой |
|
|
|
|||
сЛТИ* |
|
|
|
|
|
|
Определение эластичности медных осадков производят следую щим образом. На пластинку из коррозионно-стойкой стали методом фотопечати наносят защитный рисунок таким образом, чтобы после дующим гальваническим меднением открытых участков поверхности
можно было получить образец для разры |
форм |
размеры |
||||
которого показаны па рис. 9 . |
|
|
|
|
||
Пластинку |
с нанесенным па |
ее поверхность |
рисунком следу |
|||
ет обезжирить |
венской |
известью, |
промыть |
водой, |
активировать в |
|
10 %-ном растворе НС1, |
промыть |
водой и |
вторично |
активировать |
||
в 10 %.-ном раствбре HBF4. После тщательной промывки пластинка |
||||||
завешивается |
в ванну меднения |
вместе с платами и |
покрывается |
по режимам, принятым для плат. Пластинку с осажденной медью высушить сжатым воздухом и спять медь с помощью скальпеля.
Толщина |
медного образ |
|
|
|
^ |
|
|
||||
ца |
должна |
составлять |
|
|
|
|
|
||||
30—40 мкм. На образец с |
|
|
и----^ |
|
|
||||||
|
|
р |
- ------ »■ |
|
|||||||
помощью тонкой |
иглы без |
|
|
|
|
^ |
|
||||
нажима |
наносятся риски, |
|
|
__ |
|— ;;------------------ |
^ |
|||||
ограничивающие |
базу |
|
|
j____ L_ |
|||||||
длиной /0= 30±1 |
мм. |
|
_________ ______ 1 |
J |
|
||||||
|
Измерение базы до |
и |
' |
" |
L....A |
|
|||||
после испытания на раз- |
** |
” |
|
^50 |
|
|
|||||
рыв |
следует |
производить |
|
^ --------------** |
|
||||||
с точностью |
rhO.01 мм |
на |
|
|
____ во |
|
|
||||
**---------------------------------------------- ► |
|
||||||||||
универсальном |
измери |
^ис* |
|
Образец для разрыва медного |
|||||||
тельном микроскопе УИМ. |
|
||||||||||
Разрыв образцов рекомен- |
|
|
|
покрытия |
|
||||||
дуется |
производить |
на |
|
|
|
|
|
|
разрывной машине типа МР-05-1 при нагрузке до 10 Н. После разрыва обе половинки образца прижать к стеклу и по средней линии измерить расстояние от линии разрыва до рисок. Сумма двух измерений составит величину /к. Относительное удлинение рассчитать по формуле
е =(/„ — /о) 100//о %.
Для получения более достоверных результатов производят несколько испытаний и величину е определяют как среднеарифмети ческую. При Проведении испытаний следует иметь в виду, что в свежеосажденном слое меди имеются внутренние напряжения и медь обладает малой эластичностью; через двое суток в результате рекристаллизации внутренние напряжения исчезают и устанавли вается стабильное значение е .
Перемешивание электролита барботнрованнем сжатым воздухом или механическими мешалками не достигает эффекта, так как в зону отверстий диаметром 0,6—0,8 мм не обеспечивается подача свежего электролита и в результате этого осаждение меди на стенки отверстий происходит из сильно истощенного электролита в условиях предель ного тока. «Лучшие результаты достигаются в том случае, когда платы, жестко закрепленные на катодной штанге, совершают в электролите возвратно-поступательные движения, что обеспечивает хороший о^мен электролита в отверстиях.
Хороший контакт платы с подвесочным приспособлением и подве сочного приспособления с катодной штангой необходим для того, чтобы на всех платах осаждалось равное количество меди. При отсутствии контакта может произойти полное или частичное раство рение меди. Осевшей в начальный период электролиза. Это явление, называемое биполярным эффектом, происходит из-за того, что медненая поверхность платы, нс будучи поляризована катодно, ста-
новнтся анодом по отношению к соседним платам, имеющим хороший контакт с катодной штангой. Для обеспечения хорошего жесткого контакта всех плат с подвесочными приспособлениями необходимо, чтобы платы присоединялись с помощью резьбового соединения или пружинящего контакта.
Длина подвесочного приспособления должна выбираться таким образом, чтобы самая нижняя плата была на уровне и даже несколько выше нижней кромки анодов, в противном случае про исходит значительная концентрация тока на нижних платах и в ре зультате образуется «подгорелый» слой меди.
При загрузке ванн платами их следует компоновать таким образом, чтобы стороны, обращенные. к каждой анодной штанге, имели бы приблизительно одинаковую поверхность, подлежащую меднению. Это обеспечивает получение более равномерных по толщине покрытий на обеих сторонах платы.
17. Защитное покрытие сплавом олово—свинец (ПОС-60)
Защитные покрытия проводящего рисунка на платах должны выполнять в основном две функции: защиту проводников при вытравливании меди, т. е. роль металлорезиста, и пайку выводов радиоэлементов [6, 9].
В качестве металлорезиста могут быть использованы различные сплавы олова, серебро, золото, однако при пайке на волне расплавлен ного припоя хорошую растекаемость припоя с применением канифоль ных флюсов обеспечивает только сплав олово—свинец, соответствую щий эвтектическому сплаву ПОС-60.
Другие сплавы олова и чистое олово для покрытия печатных плат непригодны не только из-за быстрой потери способности к пайке на волне припоя, но и вследствие склонности покрытий к иглообразованию после длительного хранения и практической невозможности их оплавления.
Особую ненадежность плат при длительном хранении и монтаж но-сборочных операциях создает введенное в практику некоторых предприятий покрытие олово—кобальт и олово—висмут с содержа нием легирующих присадок в количестве 0,005—0,05 %. В условиях серийного производства эти присадки исчезают из покрытия и на проводниках получается по существу покрытие из чистого олова, которое, как хорошо известно, быстро теряет способность к пайке, подвержено разрушению при низких температурах и росту очень прочных, пронизывающих любые материалы игольчатых кристаллов («вискеры», «усы»). Даже при наличии указанных присадок на отдельных предприятиях, применивших покрытия олово—кобальт и олово—висмут, имели место случаи иглообразования, а плохая способность к пайке вынудила предприятие применить дополнительное лужение сплавом Розе, что ведет к чрезвычайно нерациональному расходу олова и других ценных металлов (висмут). Серебро, приме нявшееся для этой же цели на отдельных предприятиях, в настоящее время исключено из производственной практики как драгоценный металл и как металл, способный к миграции в диэлектрик, что приводит к снижению электроизоляционных свойств печатных плат.
Олово легко образует электролитические сплавы со свинцом, в которых соотношение олова и свинца зависит от состава электролита и режимов электроосаждения.
прн различных плотностях тока в пределах 0,5—2,0 А/дм2 Однако повышенное содержание HBF* обусловливает более агрессивное воздействие электролита на фоторезисты, а фоторезист на основе поливинилового спирта слабо устойчив в нем, что приводит к так называемым пробоям в процессе нанесения гальванического покры тия. Корректирование электролита по основным компонентам про изводится по данным химического анализа не реже двух раз в месяц; корректирование электролита по добавочным компонентам (пептон, клей и др.) — на основе данных табл. 17, определяющей причины тех или иных неполадок, связанных с присутствием ПАВ.
По мере накопления органических примесей производится периодическая очистка электролита от них посредством обработки активированным углем с последующей фильтрацией. В результате подобной обработки теряются органические добавки, введенные в электролит при его приготовлении, поэтому необходимо эти добавки вводить в полном объеме в соответствии с заданным составом (табл. 18).
С целью замены дорогостоящей борфтористоводородной кислоты на более дешевый материал на ряде предприятий применяют кремнефторидные электролиты, полученные на основе кремнефтористо-
Т а б л и ц а 18. Основные неполадки при покрытии сплавом олово—свинец
Характер неполадок
Ухудшение способности к панке
Шероховатость покрытия («пабросы»)
Осаждение «подгорелых» Пониженное содержание HBF*; недостаток покрытий, склонность к клея или другого ПАВ дендрнтообразованню
Плохая рассеивающая способность
Недостаточное количе ство олова в сплаве
Полосчатость покрытия
водородной кислоты FbSiFe, являющейся отходом производства фосфорнокислых удобрений и поэтому более дешевой и доступной.
С о с т а в э л е к т р о л и т а ( г / л ) |
|
Кремнефторид свинца |
17—25 |
Кремнефторид олова |
50—80 |
Кремнефтористая кислота (свободная) |
40—60 |
а-нафтол |
0.2 |
Тиомочевнна |
12—13 |
Желатина |
2 |
растворов: раствор 1 — борфтористоводородная кислота (330 мл), пергидроль (70 мл), вода (до 1 л). Температура раствора 18—25 °С. Продолжительность обработки 3—5 мин; раствор 2 — азотная кислота (400—500 мл/л), фторборатная медь (5—10 г/л), препарат ОС-20 (2—5 г/л). Температура раствора 18—25 °С, скорость раство рения 3—4 мкм/мин.
18. Покрытия разъемов печатных плат
Разъемы печатных плат, или конечные контакты, служат для электрического соединения блоков на печатных платах между собой с помощью соединительных колодок.
Для обеспечения хорошего электрического соединения между пружинками колодки и проводниковыми полосками разъема необходимо покрытие, обладающее малым переходным сопротивле нием, хорошей износоустойчивостью и отсутствием каких-либо пленок, ухудшающих контактные свойства.
Золото. Всем требованиям, предъявляемым к контактным покры тиям, в наибольшей степени удовлетворяет покрытие из сплава золото—никель или золото—кобальт с содержанием легирующего элемента до 0,6% (твердое золото) [2]. Толщина слоя золота — 2,5 мкм. Другие металлы, как показано ниже, уступают этому покры тию по различным причинам.
П а л л а д и й . Обладает хорошей износостойкостью и более низкой стоимостью, однако на его поверхности вследствие каталитических свойств палладия со временем образуются полимерные пленки из органических продуктов, находящихся в воздухе. Из-за образования пленок нарушается контакт. Для покрытия разъемов палладий можно применять в условиях хорошо вентилируемой аппаратуры. Толщина слоя палладия 2,5—6 мкм.
Р о д и й . Имеет наибольшую износоустойчивость и твердость, но естественные окисные пленки и склонность к образованию полимер ных пленок ухудшают его контактные свойства. Родий является самым дорогим из группы драгоценных металлов и с учетом всех его свойств рекомендуется для покрытия контактов переключателей и кодовых дисков, рассчитанных на миллионы переключений при высоких контактных давлениях. Толщина слоя родия определяется требованиями к условиям контактирования.
С е р е б р о . Это наиболее дешевый из металлов, применяемых для контактов, обладает самой высокой электропроводностью, однако быстро темнеет в результате воздействия серосодержащих продуктов, обладает плохой износостойкостью и легко корродирует. Серебряное покрытие рекомендуется длля малоответственных систем, когда контактная пара эксплуатируется в легких условиях при отсутствии сернистых соединений в воздухе. Толщина слоя серебра 6— 15 мкм.
Никель. Применяется в качестве подслоя перед золочением с целью повышения износоустойчивости слоя золота за счет повыше ния твердости подложки. Подслой никеля улучшает также коррозион ную устойчивость покрытия, исключая возможность окисления меди через поры золотого покрытия. Кроме того, подслой никеля препят ствует диффузии меди в золотое покрытие и обеспечивает этим постоянство величины переходного сопротивления в процессе длитель ной эксплуатации и хранения золоченых контактов. Толщина никелевого подслоя 6—9 мкм.